신경전달물질(Neurotransmitter)의 개요, 시냅스 신호 전달, 탈분극 방법

활동 전위(Action potential)가 Exon 말단에 도달하면, 신호는 어떻게 해서든 목표 지점(Target cell)에 전달되어야 한다. 목표 지점이라고 하면 대개 뉴런 또는 근육 세포가 대표적이다. 이 신호는 시냅스(Synapse)로 알려진 특수 접점에서 표적 세포로 전달된다. 대부분의 시냅스에서 메시지를 송신하고 수신하는 세포의 원형질막(plasma membrane, pre-synaptic cells, post synaptic cells)은 전기 신호가 교차할 수 없는 좁은 시냅스(일반적으로 가로 20nm)에 의해 서로 분리된다. 이 틈을 통해 메시지를 전달하기 위해, 전기 신호는 신경전달물질로 알려진 작은 비밀 신호분자의 형태로 화학 신호로 변환된다.

 

신경전달물질은 초기에 막으로 밀폐된 시냅스 소낭(vesicle) 내의 신경 단자에 저장된다. 활동 전위가 신경단자에 도달하면 시냅스 vesicle의 일부가 플라즈마 막과 융합되어 신경전달물질들을 시냅스(synaptic cleft)로 방출한다. 활동 전위(Action potential)의 도착과 신경전달물질의 분비 사이의 이 연결은 다른 유형의 전압 변환 양이온 채널의 활성화를 포함한다.

활동전위의 도착에 의한 신경단말 원형질막(plasma membrane)의 탈분극화는 전치신경단자의 원형질막(plasma membrane)에 집중된 Voltage-gated Ca2+ 채널을 일시적으로 개방한다. 단자 바깥의 Ca2+ 농도는 세포질의 자유 Ca2+ 농도보다 1000배 이상 크기 때문에, Ca2+는 열린 채널을 통해 신경단자로 돌진한다. 그 결과 단자의 세포 기질내에서 Ca2+농도의 증가는 즉시 신경전달물질을 방출하는 막융합을 촉발시킨다. 이러한 전압에 의한 Ca2+ 채널 덕분에 전기 신호는 이제 시냅스 사이(Cleft)로 분비되는 화학적 신호로 변환되었다.

방출된 신경전달물질은 시냅스(synaptic cleft) 전체로 빠르게 확산되어 표적 세포의 뒤쪽 시냅스 원형질막(plasma membrane)에 농축된 신경전달물질 수용체에 결합한다. 신경전달물질의 수용체 결합은 대상 세포의 막 전위 변화를 유발하며, 충분히 크다면 세포가 활동 전위(Action potential)를 발사하도록 자극한다.

그런 다음 신경전달물질은 시냅스(synaptic cleft)에서 제거 효소에 의해서 빨리 제거된다. 또는 방출하는 신경단자에 다시 펌핑하여 넣거나, 이웃하는 비신경세포에 흡수된다. 신경전달물질의 이러한 급속한 제거는 신호의 지속시간과 확산을 제한하며, 시냅스 전지가 조용해지면 시냅스 후 세포도 똑같이 작동하도록 보장한다. 만약 이러한 일련의 과정이 이상이 생기거나 작동을 하지 않으면 과흥분되거나 과억제되는 부작용을 초래한다. 아세틸콜린의 경우는 Acetylcholinesterase에 의해서 분해된다.

 

신경전달물질 수용체는 다양한 종류가 있을 수 있다. 어떤 수용체들은 표적 세포에서 상대적으로 느린 효과를 매개하는 반면, 다른 수용체들은 더 빨리 반응한다.
반응 빠른 반응(밀리초의 시간 척도)은 송신기 동기 이온 채널(이온 채널 결합 수용체라고도 함)인 수용체에 따라 달라진다. 이것들은 리간드-고정 이온 채널의 하위 클래스를 구성하며, 신경전달물질이 운반하는 화학 신호를 다시 전기 신호로 변환하는 것이다.

채널은 신경전달물질의 결합에 반응하여 일시적으로 열리며, 따라서 뒤쪽 시냅스막의 이온투과성을 변화시킨다. 이것은 차례로 막 전위에 변화를 일으킨다. 만약 변화가 충분히 크면, 그것은 뒤쪽 시냅스 막을 탈분극시키고 뒤쪽 시냅스 세포에 작용 잠재력을 촉발시킬 것이다.
송신기 동기 이온 채널의 잘 연구된 예는 운동 뉴런과 골격 근육 세포 사이에 형성된 특수 시냅스인 신경 근육 접합부에서 발견된다. 척추동물에서는 이곳의 신경전달물질이 아세틸콜린이고, 송신기 동기 이온 채널은 아세틸콜린 수용체다.

그러나 모든 신경전달물질이 다음 시냅스를 흥분시키는 것은 아니다.

신경전달물질은 다음 신경세포를 흥분시키거나 억제할 수 있으며,  어떻게 반응할지를 결정하는 것은 신호를 인식하는 수용체의 성격이다. 아세틸콜린과 글루탐산염과 같은 흥분성 신경전달물질의 주요 수용체는 리간드형(Ligand) 양이온 통로들이다. 신경전달물질이 결합하면 이러한 채널이 열려 Na+가 유입될 수 있는데, Na+는 원형질막(plasma membrane)을 약화시키고 따라서 시냅스 후 세포를 활성화시켜 활동전위를 발사하도록 유도한다. 이와는 대조적으로 Gamma-aminobutyric acid (GABA)과 글리신과 같은 억제 신경전달물질의 주요 수용체는 리간드형 Cl-채널이다.

신경전달물질이 결합하면 이들 채널이 열리면서 Cl(염화이온)에 대한 막 투과성을 증가시킨다. 이러한 투과성의 변화는 원형질막(plasma membrane)의 탈분극을 더 어렵게 하여 후시냅스 세포를 억제한다.

이러한 흥분성 또는 억제성 신경전달물질 수용체 중 하나에 결합하는 독소는 인간에게 극적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, Curare는 신경근 접합부의 흥분 아세틸콜린 수용체를 차단하여 근육 마비를 일으킨다. 이 약은 남미 인디언들이 독화살을 만들기 위해 사용했으며 수술 중 근육을 이완시키기 위해 아직도 외과의들이 사용하고 있다. 이와는 대조적으로, 쥐 독의 흔한 성분인 Strychinine은 뇌와 척수의 뉴런에 대한 차단제 글리신 수용체에 의한 근육 경련, 경련, 사망을 유발한다.

불면증, 불안감, 우울증, 정신분열증 치료에 사용되는 많은 약들은 뇌의 송신기 동기 이온 통로에 결합하여 작용한다. 예를 들어 바비투레이트(Barbiturates), 발륨(Valium), 암비엔(Ambien), 레스토릴(Restoril)과 같은 진정제는 GABA가 지정한 Cl– 채널에 결합한다. 이들의 결합은 GABA에 의해 채널을 더 쉽게 열 수 있도록 해주며, 뉴런을 GABA의 억제 작용에 더 민감하게 만든다. 이와는 대조적으로 항우울제 Prozac은 흥분성 신경전달물질 세로토닌의 재흡수를 담당하는 Na+ 구동 심포트(symport)를 차단하여 이를 사용하는 시냅스에서 이용할 수 있는 세로토닌의 양을 증가시킨다. 이 약은 우울증을 앓고 있는 많은 사람들의 삶을 변화시켰다.그러나 왜 세로토닌을 섭취하는 것이 기분을 상승시킬 수 있는지는 아직 알려지지 않았다.

 

 

신경전달물질 수용체들의 뚜렷한 종류는 비록 적은 수의 가정에 속하지만 매우 많다.

예를 들어 아세틸콜린, 글루탐산염, GABA, 글리신, 세로토닌 수용체의 많은 하위 유형이 있다. 대개 다른 뉴런에 위치하며 종종 그들의 전기생리학적 특성에서 미묘하게만 다르다. 이처럼 다양한 수용체를 가지고 있다면, 많은 사람들의 삶을 황폐화시키는 정신질환을 완화시키기 위해 특정 신경세포 집합에 더 선별적으로 작용하게 될 새로운 세대의 정신작용제를 설계하는 것이 가능할지도 모른다.

예를 들어, 인구의 1퍼센트는 정신분열증을 가지고 있고, 다른 1퍼센트는 조울증을 가지고 있고, 약 1퍼센트는 자폐증을 가지고 있으며, 더 많은 사람들이 불안감이나 우울증을 앓고 있다. 시냅스 기능에 영향을 미치는 유전자의 돌연변이는 이러한 질환들 중 가장 심각한 질환의 위험을 크게 증가시킬 수 있다. 이러한 장애들이 그렇게 만연하고 있다는 사실은 시냅스 신호의 복잡성이 특히 유전적 이상에 취약하게 만들 수도 있다는 것을 암시한다. 그러나 복잡성은 단점 뿐만 아니라 강점으로도 존재한다.

 

신호가 한 뉴런에서 다음 뉴런으로 전달되기 위해서는 시냅스 전지의 신경 단자가 전기 신호를 비밀 화학 물질로 변환해야 한다. 이 화학적 신호는 시냅스(synaptic cleft) 전체로 확산되어 시냅스 후 세포가 다시 전기적 신호로 변환할 수 있도록 해야 한다. 왜 진화는 세포 사이에 신호를 전달하기 위해 그렇게 비효율적이고 취약한 방법을 선호했을까?

 

그들 사이에 직접 전기적 연결을 하거나, 시냅스를 완전히 없애고 단일 연속 셀을 사용하는 것이 더 효율적이고 견고해 보일지도 모르는데 말이다.
하지만, 분비된 화학적 신호에 의존하는 시냅스의 가치는 신경계의 맥락에서 그것들이 어떻게 기능하는지를 고려할 때 명확해진다. 즉, 많은 분기 회로에 의해 상호 연결되고, 복잡한 계산을 수행하고, 기억을 저장하고, 행동을 위한 계획을 생성한다. 이러한 기능을 수행하기 위해서, 뉴런은 단순히 신호를 발생시키고 중계하는 것 이상의 것을 해야 한다. 뉴런은 또한 신호를 흡수하고 해석하고 기록해야 한다. 화학적 시냅스는 이러한 활동을 가능하게 한다.

예를 들어, 척수의 운동 뉴런은 그것에 시냅스를 만드는 수백 또는 수천 개의 다른 뉴런으로부터 입력을 받는다. 이러한 신호들 중 일부는 뉴런의 흥분을 자극하는 경향이 있는 반면, 다른 것들은 그것을 억제한다. 운동 뉴런은 수축하기 위해 근육을 자극하거나 조용하게 유지함으로써 자신이 받고 반응하는 모든 정보를 결합해야 한다.

 

입력의 잡음에서 적절한 출력을 계산하는 이 작업은 뉴런의 플라즈마 막에서 서로 다른 유형의 이온 채널들 사이의 복잡한 상호 작용에 의해 달성된다. 당신의 뇌에 있는 수백 가지 종류의 뉴런들은 세포가 특정한 입력 세트에 특정한 방식으로 반응할 수 있도록 해주는 수용기와 이온 채널을 가지고 있고, 따라서 그 특별한 임무를 수행할 수 있다.

다양한 화학적 입력을 통합하는 것 외에도, 시냅스는 그 시냅스가 과거에 얼마나 많이 사용되었는지에 기초해, 들어오는 작용 잠재력에 더 강력하게(또는 덜 강력하게) 반응하는 반응의 크기를 조정할 수 있다. 시냅스 가소성(synaptic plasticity) 이라고 불리는 이 적응 능력은 시냅스 후 플라즈마 막의 특수 양이온 채널을 통해 Ca2+가 입력됨으로써 촉발되는데, 이는 시냅스 양쪽의 기능적 변화(축 단자에서 방출되는 신경전달물질의 양, 후신성 세포가 송신기에 반응하는 방식)로 이어질 수 있다. 이러한 시냅스의 변화는 몇 시간, 며칠, 몇 주 또는 그 이상 지속될 수 있으며, 그것들은 학습과 기억에서 중요한 역할을 한다고 생각된다.
그러므로 시냅스는 우리가 행동하고, 생각하고, 느끼고, 말하고, 배우고, 기억할 수 있게 해주는 기계의 중요한 구성요소들이다. 너무 복잡한 신경회로에서 작동한다는 것을 감안하면 복잡한 인간의 행동을 움직이는 회로를 깊이 이해할 수 있을까?

 

참고: BIO/Alberts, Essential Cell Biology 4th edition